基于MEMS与单片机的黄金瓜成熟度无损检测系统研究.doc

基于MEMS与单片机的黄金瓜成熟度无损检测系统研究 摘要 黄金瓜又名十棱黄金瓜，学术名称为伊丽莎白厚皮甜瓜，因色泽金黄而得名为黄金瓜。黄金瓜外表美观，颜色鲜艳，香气浓郁，内含多种维生素及高糖，汁多味美，甘甜清脆。黄金瓜不仅味美可口，营养丰富，还能补中益气、消炎止痛，解毒杀虫的作用，对老年人高血压、冠心病、肥胖症等，亦有较好的疗效。许多村官大学生通过带领当地农民种植黄金瓜致富。 本文通过对黄金瓜的力学和物理特性的分析，设计一套以凌阳十六位单片机为控制核心，以MEMS（微机电系统）加速度传感器为检测工具，以FFT（快速傅里叶变换）为信号分析和计算方法的黄金瓜成熟度快速检测装置。检测过程中，利用对黄金瓜的敲击产生的振动频率响应，来准确判断黄金瓜的成熟程度。检测结果将显示在液晶显示器上，包括振动波形，振动频率和成熟度指数，并且进行成熟度等级分类。 引言 如何科学地、按黄金瓜成熟度分级销售，对消费者和销售者都是有益的。这方面国内外学者也开始了研究。本系统是基于MEMS 和凌阳单片机的黄金瓜成熟度检测系统， 利用MEMS 加速度传感器体积小质量轻性能稳定、响应快、频带宽、成本低等特点，以冲击振动无损检测原理为基础，运用单片机实现检测的自动化和智能化，通过振动电路将黄金瓜成熟度信号经过A/D 采样，经过FFT（快速傅里叶变换）得出黄金瓜振动的固有频率，经过单片机处理最终在液晶上显示出振动频率、黄金瓜质量和振动波形，并对黄金瓜成熟度进行分等。 在传感器方面引入MEMS技术，运用了MEMS 加速度传感器，而微机电系统是在集成电路生产技术和专用的微机电加工方法的技术上发展起来的高新科技，具有体积小、质量轻、性能稳定、可靠性高、频带宽、成本低等优点，是当今学科交叉的前沿领域。 1 检测原理 黄金瓜内部的物理结构分为瓜皮和瓜瓤。从力学角度，瓜瓤各部分相差较大。因此瓜瓤又可分为三层。第一层为接近瓜皮部分，第二层为中间层，第三层为中心部分。黄金瓜在成熟的过程中，瓜皮的硬度和弹性模量逐渐增加，但内部瓜瓤组织细胞间结合力随成熟度而变小。因此瓜瓤变松、脆。瓜瓤的弹性模量随成熟而变小[1]。黄金瓜可以简化为多层球状弹性体。当其受到瞬态冲击时, 球体将产生振动响应。按照弹性体振动理论：由冲击造成的振动响应的频率是弹性体的固有频率。球体的固有频率与其材料的密度、几何尺寸和弹性模量等因素有关。其关系可由球体振动的微分方程解出。2χ+（λ+μ）χ=ρχ式中： χ—球体的位移； λ,μ,ρ—材料常数由此方程可得到拉压弹性模量E 与固有频率f 的关系：E∞f2m2/3已知黄金瓜越成熟, 瓜瓤的弹性模量越小。但由于直接测量弹性模量是破坏性的， 故对质量m 一定的黄金瓜，可通过测固有频率f， 求得弹性模量E, 从而达到黄金瓜成熟度的无损检测。这就是利用冲激响应的固有频率无损检测黄金瓜成熟度的基本原理[2]。黄金瓜的固有基频还与其含糖量有较好的线性关系， 含糖量可用糖分测量仪测出。本系统使用的是国外对水果无损检测所取得指数一样的f2m2/3 作为黄金瓜成熟度指数。 2 控制系统控制计算模块以及数据的输出模块设计 系统结构如图1 所示。主要硬件设备： MEMS加速度传感器电路、A/D 采样电路、称重传感器电路、单片机、按键、LCD 显示器。控制计算部分是整个设计的核心部分， 而单片机又是控制计算部分的核心， 它不仅对进入单片机的数据进行计算处理， 而且控制连接数模转换、数据运算、以及数据输出等各个模块的工作。由于振动信号是模拟量，单片机无法识别模拟量， 所以在信号进入单片机之前，必须建立一个模数转换通道， 将振动信号转换成单片机能够识别的数字量， 才能对其数据进行计算处理。经过A/D 采样的信号经过FFT (快速傅里叶变换) 实现时域-频域的变化， 方便了输出数据的观察。 称重传感器将质量以及振动信号的频率进行运算后的结果通过LCD 显示输出， 显示输出的数据， 包括黄金瓜的质量、振动的固有频率和振动波形等也可根据用户的需要自行更改显示内容。本设计采用了JM12864M 液晶显示器，可显示汉字及图形。 3 传感器外围电路设计 本设计中主控制板选用凌阳科技生产的SPCE061A芯片， 是一款16 位结构的微控制器。较高的处理速度使μnSPTM 能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号μnSPTM 的ALU 非常有特色， 除了一般基本的16位算术逻辑运算， 还提供了结合算术逻辑的16 位移位运算。 在数字信号处理方面， 提供了高速的（16×16）位乘法运算和内积（乘加） 运算。除了普通的16 位算数逻辑运算指令外， μnSPTM 还提供了高速的（16×16）位乘法运算指令MUL 和16 位内积运算指令MULS 。这两条指令大大的提升了μnSPTM 的数字信号处理能力。SPCE061A